Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день, по данным органов здравоохранения, 30% заболеваний населения Волжского бассейна инициировано загрязнением питьевой воды. Идет рост заболеваемости крови и кроветворных органов, болезней мочеполовой, эндокринной и костно-мышечной систем, нарушений обмена, болезней нервной системы, органов чувств, рост психических расстройств, новообразований, врожденных аномалий и т.д. Все это требует повышенного внимания к вопросам охраны и рационального использования водных ресурсов.
Во всем мире сейчас широко внедряется управление водными ресурсами, их качеством и количеством, но в целом принимаемые меры, особенно контроль качества, до сих пор не обеспечивают желаемой эффективности.
Существо проблемы заключается в том, что качество окружающей среды той или иной территории (региона - республики, области, города, промзоны и т.п.) можно рассматривать как сложный многосвязный объект, состояние которого зависит от многих постоянных и переменных факторов: климата, рельефа местности, гидрометеорологических параметров, источников загрязнений, работы очистных сооружений и др., причем ряд факторов являются управляемыми, а ряд - нет. Строгого математического описания качества окружающей среды территории как объекта управления не существует. Прямое управление сложным нелинейным многосвязным объектом, не имеющим математического описания, невозможно. Для осуществления управления систему необходимо замкнуть обратной связью. Этим целям и должна служить региональная система экологического мониторинга (РСЭМ).
Из теории автоматического управления известно, что качество управления сложным объектом зависит от времени запаздывания измерительных элементов в цепи обратной связи. Чем больше время запаздывания, тем хуже качество управления, вплоть до неустойчивости системы и ее неуправляемости.
Для обеспечения управляемости системы при дискретном управлении, к которому относится управление экологической обстановкой, необходимо, чтобы измерительные звенья системы выдавали информацию в реальном масштабе времени.
Существующие в регионах, и в том числе в Самарской области, информационно-аналитические сети мониторинга загрязнений окружающей среды не обеспечивают получения и выдачи информации в указанном режиме, так как базируются, в основном, на периодическом (сравнительно редком) отборе проб с последующим их анализом в лабораториях; это приводит к запаздыванию в выдаче информации, измеряемом сутками, а иногда и неделями. Полученные результаты в этом случае имеют значимость как приобретенный опыт или информация для разработки каких-либо мероприятий на перспективу. Такая диагностика может квалифицироваться как режимно-прогностическая диагностика, диагностика-постфактум. При ней отсутствует возможность своевременной регистрации аварийной ситуации, что исключает оперативное (активное) прогнозирование последствий аварии.
Для обеспечения измерений в реальном масштабе времени и, соответственно, для обеспечения возможностей более эффективного управления состоянием окружающей среды, необходимо создание и внедрение автоматизированных систем экологического мониторинга (АСЭМ), основанных на использовании современных технических средств получения, передачи и обработки информации.
В автоматизированных СЭМ все большее распространение получают экспресс-методы диагностики качества воды на базе приборов, измеряющих состав и свойства воды в проточном режиме, т.е. без взятия проб. Экспрессный режим позволяет получать результаты измерений параметров воды в момент ее прохождения через точку контроля, а следовательно столь же оперативно прогнозировать последствия и принимать управленческие решения. Подобный режим работы можно квалифицировать как оперативно-режимную диагностику с активным прогнозированием.
Большой вклад в развитие этого направления внесен известны
ми отечественными и зарубежными специалистами Ю.Ю.Лурье,
Л.Н.Преснухиным, Э.И.Гитисом, А.П.Курковским,
А.А.Б.Прицкером, Г.Коллинзом, Дж.Блэем, В.Г.Домрачевым, Ю.В.Новиковым, В.М.Шляндиным, Ю.Б.Шаубом, В.С.Ястребовым, Е.Ф.Зиминым и др.
Однако анализ научных и реферативно-информационных публикаций показал, что такие ведущие в водной проблематике научные организации, как Институт водных проблем РАН (г.Москва), Гидрохимический институт Росгидромета (г.Ростов-на-Дону), Государст-
венный гидрологический институт (г.Санкт-Петербург), Российский институт водного хозяйства (г.Екатеринбург) и др., в недостаточной мере занимаются вопросами методологии мониторинга вообще, и автоматизированного мониторинга, в частности.
Поэтому комплексное решение вопросов, связанных с развитием теории автоматизированного мониторинга окружающей среды и методологии проектирования аппаратных средств АСЭМ, позволяющих с единых научных позиций получить обобщенные модели системы экомониторинга в целом и частные математические модели распространения загрязнителей в пределах исследуемой акватории, выяснить закономерности построения и функционирования информационно-аналитической аппаратуры контроля загрязнений водной среды в составе интегрированной информационной системы экомониторинга, обосновать технические возможности и пути реализации ИИС оперативного контроля загрязнения воды и донных осадков, показать их преимущества перед традиционными и на этой основе обеспечить проектирование и практическое использование ИИС оперативного контроля качества поверхностных, грунтовых и сточных вод в составе автоматизированной системы экологического мониторинга региона - представляет собой актуальную научно-техническую проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение.
Цель и задачи работы. Цель работы - разработка методологии автоматизированного мониторинга водной среды региона на примере Самарской области, обобщение и развитие принципов построения ИИС состояния поверхностных, грунтовых и сточных вод автоматизированной системы экомониторинга, развитие основ теории мониторинга распространения загрязнений и осадконакопления в пределах заданной акватории, создание нового класса кондуктометриче-ских ИИС экологического контроля и ИИС контроля самоочищающей способности водоемов, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
анализ научно-технической проблемы создания автоматизированной системы экомониторинга водных ресурсов региона, предназначенной: для наблюдений за естественным составом и загрязнением поверхностных вод в пределах всей акватории; для контроля качества грунтовых вод, контроля качества воды на водозаборах и
контроля сточных вод в местах их сброса; для контроля трансграничного переноса токсикантов по реке между субъектами федерации; непрерывного контроля, оперативного обнаружения сверхвысоких загрязнений водной среды в результате аварийных выбросов загрязняющих веществ и контроля развития ситуации; определения интенсивности осадконакопления, контроля способности водоема к самоочищению в режиме реального времени;
разработка обобщенной модели системы экомониторинга с целью выработки единого системного подхода к анализу и синтезу как различных подсистем АСЭМ, так и процессов преобразования информации;
разработка принципов построения измерительно-аналитической аппаратуры АСЭМ, обеспечивающих интеграцию входящих в нее элементов и подсистем;
разработка принципов и методики определения необходимого и достаточного перечня наиболее значимых для региона параметров и загрязнителей водной среды, подлежащих первоочередному автоматизированному контролю;
разработка принципов и методики определения периодичности измерений и контроля различных параметров экосистем средствами АСЭМ;
разработка системы критериев и методики выбора методов анализа, которые можно использовать при проведении автоматизированного экомониторинга природных вод конкретного региона;
разработка теоретических основ эффективного контроля загрязнений водной среды в результате аварийных выбросов загрязняющих веществ и контроля развития ситуации; определения интенсивности осадконакопления, контроля способности водоема к самоочищению;
разработка математических моделей кондуктометрических измерительных преобразователей повышенной метрологической надежности;
разработка системы приоритетов и условий, которые необходимо учитывать при определении количества и территориального размещения элементов информационно-аналитической сети АСЭМ, и метода оптимального их размещения по территории региона;
систематизация математических моделей и разработка пространственной структуры имитационной модели процесса переноса
загрязняющих веществ по акватории Саратовского водохранилища, схемы функционирования и самой обобщенной модели переноса загрязнителей;
разработка технических средств оперативного контроля за
грязнений водной среды в результате аварийных выбросов и способ
ности водоема к самоочищению на основе разработанных методов и
внедрение их в практику экомониторинга.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы интегрального и дифференциального исчисления и векторного анализа, теория графов, теория матриц, теория электромагнитного поля, методы решения оптимизационных задач.
Достоверность полученных теоретических результатов и выводов подтверждены экспериментальными исследованиями как отдельных узлов, так и ИИС в целом, испытаниями и эксплуатацией разработанных систем.
Научная новизна работы заключается в следующем.
-
Предложена имитационная модель распространения загрязнителей по акватории Саратовского водохранилища.
-
Разработаны основы теории кондуктометрических измерений при оперативном контроле динамики загрязнений природных вод и накопления донных осадков.
-
Разработан метод определения способности водоема к самоочищению на основе анализа вертикального распределения окислительно-восстановительного потенциала донных осадков.
-
Предложен метод повышения метрологической надежности кондуктометрических измерительных преобразователей, заключающийся в выносе чувствительной зоны за пределы электродной системы. Разработаны математические модели указанных измерительных преобразователей.
-
Разработан комплекс методик, позволяющий определить номенклатуру контролируемых параметров водной среды, периодичность контроля, выбрать методы измерения, рационально размещать ИИС на местности.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
использование разработанных методик измерений с помощью
многоэлектродных распределенных в пространстве кондуктометри
ческих датчиков позволяет оперативно обнаруживать присутствие за
грязняющих веществ в воде, прослеживать динамику распростране-
8 ния загрязнений в водной толще, контролировать динамику осадко-накопления в заданном месте акватории;
на основе разработанной модели распространения загрязнителей по акватории создано программное обеспечение, позволяющее рассчитывать концентрацию загрязняющего вещества в любой из выделенных ячеек акватории Саратовского водохранилища;
использование разработанных методик построения АСЭМ позволило определить перечень контролируемых параметров, периодичность контроля, обосновать выбор методов измерений, оптимизировать размещение информационно-аналитических центров и ИИС на местности;
использование предложенных первичных преобразователей с выносом и фокусировкой чувствительной зоны, инвариантных к загрязнению электродов, позволяет повысить метрологическую надежность автоматических стационарных ИИС контроля параметров водной среды, предназначенных для длительной работы в автономном режиме;
использование предложенной методики измерений окислительно-восстановительного потенциала в толще донных осадков позволяет определять на месте уровень нарастающего загрязнения водоема;
на основе полученного критерия оптимизации параметров кондуктометрических измерительных преобразователей разработаны принципы построения измерительных преобразователей с максимальной чувствительностью.
Реализация результатов работы. На основе полученных теоретических результатов разработаны и внедрены в производство, научные исследования и учебный процесс информационно-измерительные системы экологического контроля качества природных вод, в том числе:
на насосно-фильтровальной станции НФС-2 (Студеный овраг, г.Самара) в опытную эксплуатацию для входного контроля качества воды при ее заборе внедрен многофункциональный измерительный модуль автоматической станции экологического контроля параметров водной среды;
в составе контрольно-измерительной аппаратуры системы биологической очистки сточных вод АО АВТОВАЗ используется информационно - измерительная система определения способности водоемов к самоочищению;
в системе контроля качества воды на насосно-фильтровальной станции Похвистневского линейно - производственного управления магистральных газопроводов ООО "Самаратрансгаз" (г.Похвистнево Самарской области) используется многофункциональный измерительный гидрохимический автоматический анализатор;
в учебном процессе Самарского государственного технического университета использована информационно — измерительная система определения способности водоемов к самоочищению при создании лабораторного стенда по дисциплинам "Информационно-измерительные системы" и "Автоматизация экспериментальных исследований".
На защиту выносятся следующие научные положения.
-
Обобщенная имитационная модель распространения загрязнителей по акватории Саратовского водохранилища.
-
Основы теории и методов оперативного контроля динамики загрязнений природных вод и накопления донных осадков на основе использования многоэлектродных преобразователей кондуктометри-ческих измерений.
3.Теоретические основы и методы определения способности водоемов к самоочищению, основанные на измерении вертикально распределенных окислительно-восстановительных потенциалов донных осадков.
-
Метод повышения метрологической надежности кондукто-метрических преобразователей, основанный на выносе за пределы преобразователя и фокусировке чувствительной зоны.
-
Методики определения состава контролируемых параметров АСЭМ, периодичности контроля, а также выбора методов измерений и рационального размещения постов контроля на местности.
-
Структура и конструкция многофункционального измерительного модуля автоматической донной станции экологического контроля, подсистема АСЭМ определения способности водоема к самоочищению, внедренные в практику экологического мониторинга водной среды Самарской области.
Вклад автора в разработку проблемы. Все научные положения, выводы и рекомендации предложены соискателем. Им же сформулированы основные идеи защищаемых методов и алгоритмов. Программные и аппаратные средства для анализа и реализации полу-
ченных результатов разработаны под руководством и при непосредственном участии соискателя.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17 научных конференциях и совещаниях, в том числе на Всероссийской конференции "Устойчивое развитие в России. Конструктивные предложения", Тольятти, ИЭВБ РАН, 1995; на 9-ой Всероссийской НТК с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Москва, МГИЭМ, 1997; на Всероссийской НТК "Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации", Уфа, УГАТУ, 1997; на Международной НТК "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем", Пенза, ПГТУ, 1998; на Всероссийской НТК "Измерительные преобразователи и информационные технологии", Уфа, УГАТУ, 1999; на Международной НТК "Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте", Самара, СамГТУ, 1999 г.
Материалы завершенной диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции "Методы и средства измерений в системах контроля и управления", Пенза, ПГТУ, 1999 г., на 6-ой Всероссийской конференции "Состояние и проблемы измерений", Москва, МВТУ, 1999 г.
Публикации. По результатам исследований и разработок опубликовано 47 печатных работ, в том числе одна монография.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 378 страницах текста, 70 рисунках, 6 таблицах. Список источников литературы включает 212 наименований.
